JP2014107319A - 接着力が制御可能な接着用部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】被着体の接着面積の大きさに左右されずに接着でき、安定的に剥離することができる接着力が制御可能な接着用部材を提供する。
【解決手段】被着体に対する接着部103を少なくとも2か所備え、被着体を把持させる作用方向への接着力が制御可能な接着用部材101であって、接着部103は、作用方向に垂直な面に沿ったある方向105への力を加えると作用方向107への把持力が増大し、ある方向とは逆方向105’への力を加えると作用方向107への把持力が減少もしくは一定となる接着力の方向性を備えた接着特性を個々に有し、被着体と接触している個々の接着部103に対して力を加えことができる駆動機構102を備えている。
【選択図】図1
【解決手段】被着体に対する接着部103を少なくとも2か所備え、被着体を把持させる作用方向への接着力が制御可能な接着用部材101であって、接着部103は、作用方向に垂直な面に沿ったある方向105への力を加えると作用方向107への把持力が増大し、ある方向とは逆方向105’への力を加えると作用方向107への把持力が減少もしくは一定となる接着力の方向性を備えた接着特性を個々に有し、被着体と接触している個々の接着部103に対して力を加えことができる駆動機構102を備えている。
【選択図】図1
Description
本発明は、接着力が制御可能な接着用部材に関し、特に接着力に方向性を有する接着材を用いて被着体を把持させる作用方向への接着力を制御可能とした接着用部材に関する。
物質の搬送等の分野において、被着体との接着力を制御できる接着材の開発が求められている。
非特許文献1では、易剥離性接着材の接着面に対して接線方向の力を加えることによって、接着材を被着体と剥離できることが報告されている。
このように接着材を接線方向の力のみで剥離させた場合、接着材には内力が発生した状態で剥離するので、安定的に剥離させることが困難であった。
一方でヤモリや昆虫等の手足は、接着力に方向性を有する接着材を利用して接着・剥離を繰り返し、歩行をすることが知られている。
非特許文献2では、接着力に方向性を有する接着材における最大の接着力をもつ方向が、構造体形状に依存していることが報告されている。
すなわち、これによると、接着体の構造を制御することによって、一方向に強い接着力を有する接着体を設計することが可能となる。
非特許文献1では、易剥離性接着材の接着面に対して接線方向の力を加えることによって、接着材を被着体と剥離できることが報告されている。
このように接着材を接線方向の力のみで剥離させた場合、接着材には内力が発生した状態で剥離するので、安定的に剥離させることが困難であった。
一方でヤモリや昆虫等の手足は、接着力に方向性を有する接着材を利用して接着・剥離を繰り返し、歩行をすることが知られている。
非特許文献2では、接着力に方向性を有する接着材における最大の接着力をもつ方向が、構造体形状に依存していることが報告されている。
すなわち、これによると、接着体の構造を制御することによって、一方向に強い接着力を有する接着体を設計することが可能となる。
溶接学会全国大会講演概要85集(平成21年度秋季大会), 453項, 梁集合体による把持と脱離機構の設計, 王 苗苗, 関口 悠, 高橋 邦夫, ヘムタビー パソムポーン著(東京工業大学).
J. Adhesion Sci. technol. 2007, 21, 1281. ¨Adhesion and anisotropic friction enhancements of angled heterogeneous micro−fiber arrays with spherical and spatula tips¨ M. P. Murphy, B. AKSAK, M. Sitti.
以上のように、従来例の非特許文献1のものでは、易剥離性接着材を被着体と剥離させるためには、接着面に対して接線方向成分の力を加える必要があり、剥離の際に内力を利用するため脱離挙動が不安定になるという課題を有している。
また、非特許文献2のものでは、接着体の構造を制御することによって、ある一方向に強い接着力を有する接着体を得ることができる。しかしながら、接着材を剥離させる際に、被着体と接着材以外から力を受けているので、任意の接着面積を有する被着体を接着および剥離させて搬送させることが困難であり、特に、大きい接着面積を有する被着体を接着および剥離する際に課題を有している。
また、非特許文献2のものでは、接着体の構造を制御することによって、ある一方向に強い接着力を有する接着体を得ることができる。しかしながら、接着材を剥離させる際に、被着体と接着材以外から力を受けているので、任意の接着面積を有する被着体を接着および剥離させて搬送させることが困難であり、特に、大きい接着面積を有する被着体を接着および剥離する際に課題を有している。
本発明は、上記課題に鑑み、被着体の接着面積の大きさに左右されずに接着でき、安定的に剥離することができる接着力が制御可能な接着用部材の提供を目的とする。
本発明に係る可逆性接着用部材は、
被着体に対する接着部を少なくとも2か所備え、前記被着体を把持させる作用方向への
接着力が制御可能な接着用部材であって、
前記接着部は、前記作用方向に垂直な面に沿ったある方向への力を加えると前記作用方向への把持力が増大し、前記ある方向とは逆方向への力を加えると前記作用方向への把持力が減少もしくは一定となる接着力の方向性を備えた接着特性を個々に有し、
前記被着体と接触している個々の接着部に対して力を加えことができる駆動機構を備え、
前記駆動機構を駆動した際に、前記被着体と接触している接着部の接着面以外から前記ある方向または前記ある方向とは逆方向の力が該接着部に生じず、
前記駆動機構が、前記個々の接着部に対して前記ある方向または前記ある方向とは逆方向への力を作用させるように構成されていることを特徴とする。
また、本発明の物質の搬送機構は、被搬送物質を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を備え、前記機構を上記接着用部材によって構成したことを特徴とする。
また、本発明の部材の移動機構は、被移動部材を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を備え、上記接着用部材によって構成したことを特徴とする。
被着体に対する接着部を少なくとも2か所備え、前記被着体を把持させる作用方向への
接着力が制御可能な接着用部材であって、
前記接着部は、前記作用方向に垂直な面に沿ったある方向への力を加えると前記作用方向への把持力が増大し、前記ある方向とは逆方向への力を加えると前記作用方向への把持力が減少もしくは一定となる接着力の方向性を備えた接着特性を個々に有し、
前記被着体と接触している個々の接着部に対して力を加えことができる駆動機構を備え、
前記駆動機構を駆動した際に、前記被着体と接触している接着部の接着面以外から前記ある方向または前記ある方向とは逆方向の力が該接着部に生じず、
前記駆動機構が、前記個々の接着部に対して前記ある方向または前記ある方向とは逆方向への力を作用させるように構成されていることを特徴とする。
また、本発明の物質の搬送機構は、被搬送物質を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を備え、前記機構を上記接着用部材によって構成したことを特徴とする。
また、本発明の部材の移動機構は、被移動部材を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を備え、上記接着用部材によって構成したことを特徴とする。
本発明によれば、被着体の接着面積の大きさに左右されずに接着でき、安定的に剥離することができる接着力が制御可能な接着用部材を実現することができる。
つぎに、本発明を実施するための形態として、被着体を把持させる作用方向への接着力が制御可能な接着用部材の構成例について説明する。
まず、本発明の第1の実施形態における接着力が制御可能な接着用部材について説明する。
本実施形態では、被着体に対する接着部を少なくとも2か所備え、前記被着体を把持させる作用方向への接着力が制御可能な接着用部材がつぎのように構成される。
前記接着部は、前記作用方向に垂直な面に沿ったある方向への力を加えると前記作用方向への把持力が増大し、前記ある方向とは逆方向への力を加えると前記作用方向への把持力が減少もしくは一定となる接着力の方向性を備えた接着特性を個々に有している。
前記被着体と接触している個々の接着部に対して力を加えことができる駆動機構を備えている。
そして、前記駆動機構を駆動した際に、前記被着体と接触している接着部の接着面以外か
ら前記ある方向または前記ある方向とは逆方向の力が該接着部に生じず、
前記駆動機構が、前記個々の接着部に対して前記ある方向または前記ある方向とは逆方向への力を作用させるように構成されていることを特徴とする。
これによって、接着面のみで力を作用させることができ、ある方向への力を加えることで安定的に把持力を発揮させることができ、また、ある方向とは逆方向への力を加えることで、比較的低い力で安定的に剥離することが可能となる。
まず、本発明の第1の実施形態における接着力が制御可能な接着用部材について説明する。
本実施形態では、被着体に対する接着部を少なくとも2か所備え、前記被着体を把持させる作用方向への接着力が制御可能な接着用部材がつぎのように構成される。
前記接着部は、前記作用方向に垂直な面に沿ったある方向への力を加えると前記作用方向への把持力が増大し、前記ある方向とは逆方向への力を加えると前記作用方向への把持力が減少もしくは一定となる接着力の方向性を備えた接着特性を個々に有している。
前記被着体と接触している個々の接着部に対して力を加えことができる駆動機構を備えている。
そして、前記駆動機構を駆動した際に、前記被着体と接触している接着部の接着面以外か
ら前記ある方向または前記ある方向とは逆方向の力が該接着部に生じず、
前記駆動機構が、前記個々の接着部に対して前記ある方向または前記ある方向とは逆方向への力を作用させるように構成されていることを特徴とする。
これによって、接着面のみで力を作用させることができ、ある方向への力を加えることで安定的に把持力を発揮させることができ、また、ある方向とは逆方向への力を加えることで、比較的低い力で安定的に剥離することが可能となる。
具体的には、図1に示されるように、接着用部材101は、少なくとも2か所の接着部103および103’を有し、ある作用方向への接着力を発揮する。
ここである作用方向とは、接着用部材101によって被着体を把持させる方向(N方向107)である。
次に、該接着部は、該作用方向に垂直なある方向への力を加えると該作用方向への把持力が増大し、該ある方向とは逆方向の力を加えると該作用方向への把持力が減少もしくは一定となるような接着力の方向性を個々に有している。
ここである作用方向とは、接着用部材101によって被着体を把持させる方向(N方向107)である。
次に、該接着部は、該作用方向に垂直なある方向への力を加えると該作用方向への把持力が増大し、該ある方向とは逆方向の力を加えると該作用方向への把持力が減少もしくは一定となるような接着力の方向性を個々に有している。
ここで接着力の方向性、ある方向、逆方向について以下のように定義する。
まず、図2に示すように、該作用方向に垂直な面201上にXY軸、該作用方向にZ軸を取ってXYZ直交座標系を考える。
ここで、被着体202に対して接着部203をXZ平面内の任意の方向へ引っ張った際の接着力のX方向成分(Fx)とZ方向成分(Fz)をプロットしたプロファイルをとることで、接着部203のXZ平面内での接着プロファイルを作成できる。
該作用方向に垂直な面201内の適切な方向に、X軸方向(例えば、X1、X2、X3)をとったとき、図3に示すようにFxが大きくなるとFzが増大し、Fxが小さくなるとFzが減少もしくは一定となるような接着プロファイルが得られる場合に、接着部203はX軸正方向への接着力の方向性を有しているとする。さらに、図3(c)に示すように、上記のようなX軸の選び方のなかでも該作用方向の把持力301が最大となるX軸の正方向(X3方向)の力302の正方向をある方向、負方向を逆方向と定義する。
例えば、本発明にかかる接着部は図1(b)に示すような接着プロファイルを有しているものが好適である。
まず、図2に示すように、該作用方向に垂直な面201上にXY軸、該作用方向にZ軸を取ってXYZ直交座標系を考える。
ここで、被着体202に対して接着部203をXZ平面内の任意の方向へ引っ張った際の接着力のX方向成分(Fx)とZ方向成分(Fz)をプロットしたプロファイルをとることで、接着部203のXZ平面内での接着プロファイルを作成できる。
該作用方向に垂直な面201内の適切な方向に、X軸方向(例えば、X1、X2、X3)をとったとき、図3に示すようにFxが大きくなるとFzが増大し、Fxが小さくなるとFzが減少もしくは一定となるような接着プロファイルが得られる場合に、接着部203はX軸正方向への接着力の方向性を有しているとする。さらに、図3(c)に示すように、上記のようなX軸の選び方のなかでも該作用方向の把持力301が最大となるX軸の正方向(X3方向)の力302の正方向をある方向、負方向を逆方向と定義する。
例えば、本発明にかかる接着部は図1(b)に示すような接着プロファイルを有しているものが好適である。
いずれも、該接着部は、該接着面の接線方向のうちある方向の力109を加えると該作用方向の把持力110が増大し、逆方向の力を加えると該作用方向の把持力が減少もしくは一定となるような接着力の方向性を有している。
但し、接着力の方向性のある接着部の接着プロファイルにおいて、接着部401が被着体402からもたらされる摩擦力は含まない。
ここで、図4に示すように、摩擦力とは接着面に対し接着部401を押し込んだときの接着力であり、その摩擦力領域とは接着部401における接着面の接線方向をα方向、法線方向をβ方向としたときにβ方向の把持力F(β)が負を示す領域である。
つまり、本発明における実質的な把持力を示す領域は、該作用方向に垂直な方向をXとしたときの接着力F(Z)が正、かつF(β)が正となるような接着プロファイルの斜線の領域403である。前記のとおり、摩擦力を用いて被着体を把持する接着量部材は、接着方向性を有する接着部には含まれない。
ここで、個々の接着部の範囲は、その領域内が一様な接着プロファイルを示すような最大の領域として定義する。
例えば、空間的に連続してつながっている領域であっても、2種類の接着プロファイルを示す領域に分割できる場合は、2か所の接着部を有していることとする。
また、無限の接着部を有する接着用部材も考えられる。例えば、ある領域内において該ある方向が滑らかに変化するような場合があげられ、この場合にも無限の接着部を有しているとみなし本発明の範囲に含む。
但し、接着力の方向性のある接着部の接着プロファイルにおいて、接着部401が被着体402からもたらされる摩擦力は含まない。
ここで、図4に示すように、摩擦力とは接着面に対し接着部401を押し込んだときの接着力であり、その摩擦力領域とは接着部401における接着面の接線方向をα方向、法線方向をβ方向としたときにβ方向の把持力F(β)が負を示す領域である。
つまり、本発明における実質的な把持力を示す領域は、該作用方向に垂直な方向をXとしたときの接着力F(Z)が正、かつF(β)が正となるような接着プロファイルの斜線の領域403である。前記のとおり、摩擦力を用いて被着体を把持する接着量部材は、接着方向性を有する接着部には含まれない。
ここで、個々の接着部の範囲は、その領域内が一様な接着プロファイルを示すような最大の領域として定義する。
例えば、空間的に連続してつながっている領域であっても、2種類の接着プロファイルを示す領域に分割できる場合は、2か所の接着部を有していることとする。
また、無限の接着部を有する接着用部材も考えられる。例えば、ある領域内において該ある方向が滑らかに変化するような場合があげられ、この場合にも無限の接着部を有しているとみなし本発明の範囲に含む。
また、該接着用部材は被着体と接触した際に該接着部に対して力を加えられるような駆動機構を有している。
また、該被着体に接触して該駆動機構を駆動した際に、該接着用部材が該ある方向の成分の力を該接着部以外で該被着体から受けない特徴を有している。
このような特徴によって、接着用部材において実質的に内部的に釣り合う力が発生するので、接着用部材が被着体と接着部以外で接触せずに該作用方向に垂直なある方向の力を制御でき、接着部が被着体の内側に入る限りにおいて被着体の接着面積の形や大きさに左右されず接着することができる。
ただし、接着用部材が接着部以外で被着体から受ける該ある方向の成分の力が、接着部で発生する該ある方向の成分の力の10%以下であれば、本発明の実施形態の範囲内である。
また、該被着体に接触して該駆動機構を駆動した際に、該接着用部材が該ある方向の成分の力を該接着部以外で該被着体から受けない特徴を有している。
このような特徴によって、接着用部材において実質的に内部的に釣り合う力が発生するので、接着用部材が被着体と接着部以外で接触せずに該作用方向に垂直なある方向の力を制御でき、接着部が被着体の内側に入る限りにおいて被着体の接着面積の形や大きさに左右されず接着することができる。
ただし、接着用部材が接着部以外で被着体から受ける該ある方向の成分の力が、接着部で発生する該ある方向の成分の力の10%以下であれば、本発明の実施形態の範囲内である。
また、該被着体に接触して該駆動機構を駆動した際に駆動によって該接着部にかかる力が、該ある方向の成分をもつように個々の該接着部が配置されている。図1(a)に示すように、接着部(103および103’)は、駆動機構102から力(104および104’)がもたらされる。ここで接着部1(103)および接着部2(103’)の該ある方向はそれぞれL1方向108およびL2方向108’である。
駆動機構から接着部にもたらされる力(104および104’)の方向は該ある方向(L1方向108およびL2方向108’)と同一であることが好ましいが、駆動機構から接着部にもたらされる力は該ある方向成分(105および105’)を含んでいればよい。
また、該駆動機構は接着用部材や該接着部の重力を該ある方向成分として負荷できる機構も含まれていてもよい。
前記の特徴によって、接着用部材は被着体と接触した際に、駆動機構から加えられる力によって個々の接着部の該作用方向の把持力を制御することができる。
駆動機構から接着部にもたらされる力(104および104’)の方向は該ある方向(L1方向108およびL2方向108’)と同一であることが好ましいが、駆動機構から接着部にもたらされる力は該ある方向成分(105および105’)を含んでいればよい。
また、該駆動機構は接着用部材や該接着部の重力を該ある方向成分として負荷できる機構も含まれていてもよい。
前記の特徴によって、接着用部材は被着体と接触した際に、駆動機構から加えられる力によって個々の接着部の該作用方向の把持力を制御することができる。
また、本発明の第2の実施形態として、接着部の接着面が、実質的に同じ平面内になるように配置された形態を採ることができる。
このような構成によって、平坦な表面を有する被着体を把持することが可能となる。
また、本発明の第3の実施形態として、前記接着部は、複数の接着部を備えた接着部群、もしくは前接着部群の組み合わせからなる形態を採ることができる。その際、前記接着部群は、すべての接着部が同等の前記接着特性を有し、前記作用方向への把持力が最大となるように前記ある方向の力を前記駆動機構によって該接着部に加えられた際に、該すべての接着部にかかる前記ある方向の力が釣り合うように構成される。
ここで同等の接着特性とは、同等の接着プロファイルを有することである。
このような構成によって、平坦な表面を有する被着体を把持することが可能となる。
また、本発明の第3の実施形態として、前記接着部は、複数の接着部を備えた接着部群、もしくは前接着部群の組み合わせからなる形態を採ることができる。その際、前記接着部群は、すべての接着部が同等の前記接着特性を有し、前記作用方向への把持力が最大となるように前記ある方向の力を前記駆動機構によって該接着部に加えられた際に、該すべての接着部にかかる前記ある方向の力が釣り合うように構成される。
ここで同等の接着特性とは、同等の接着プロファイルを有することである。
次に、このような第3の実施形態における接着部群について説明する。
例えば、n個の接着部を有している接着用部材において各接着部の該作用方向に垂直な面が実質的に同一である場合、n個の接着部は同様の接着プロファイルを有し、全ての該ある方向に沿った直線がある一点で交わり、かつその直線は該ある一点を中心としてn/360 °の角度で配置されているのが望ましい。例として、一つの接着用部材の中に2個または3個の接着部を有する接着部群について説明する。
図5に、2個の接着部を有する接着用部材の構成および接着部の接着プロファイルを示す。
図5(a)に示すように、接着用部材501において2つの接着部502は同様の接着プロファイルを有しており、該ある方向の力ベクトル503は、該ある一点504に向けられている。
図5(b)では、該逆方向が点505に向けられている。
図6(a)では、接着用部材601における接着部602の該ある方向の力ベクトル603は一点604に向けられている。
また、図6(b)では、該ある方向の力ベクトル603の逆方向が一点605に向けられ
ている。図6(a)および(b)ともに3つの接着部の該ある方向の力ベクトル603は、ある一点604および605を中心として120°の間隔で配置されている。
例えば、n個の接着部を有している接着用部材において各接着部の該作用方向に垂直な面が実質的に同一である場合、n個の接着部は同様の接着プロファイルを有し、全ての該ある方向に沿った直線がある一点で交わり、かつその直線は該ある一点を中心としてn/360 °の角度で配置されているのが望ましい。例として、一つの接着用部材の中に2個または3個の接着部を有する接着部群について説明する。
図5に、2個の接着部を有する接着用部材の構成および接着部の接着プロファイルを示す。
図5(a)に示すように、接着用部材501において2つの接着部502は同様の接着プロファイルを有しており、該ある方向の力ベクトル503は、該ある一点504に向けられている。
図5(b)では、該逆方向が点505に向けられている。
図6(a)では、接着用部材601における接着部602の該ある方向の力ベクトル603は一点604に向けられている。
また、図6(b)では、該ある方向の力ベクトル603の逆方向が一点605に向けられ
ている。図6(a)および(b)ともに3つの接着部の該ある方向の力ベクトル603は、ある一点604および605を中心として120°の間隔で配置されている。
一方で、該ある方向の力ベクトルまたはその逆方向が一点に向けられてはいないが、接着用部材全体においてすべての該接着部にかかる該ある方向の力が釣り合うように、接着部が配置されている接着部群の形態も挙げられる。例えば、図7に示すような接着部群は、該ある方向の力ベクトル703またはその逆方向が一点に向けられてはいないが、接着用部材701全体においてすべての該接着部702にかかる該ある方向の力が釣り合うように、接着部702が配置されている。
図5、図6および図7のいずれも、各接着部の該作用方向に垂直な面が実質的に同一である場合、接着用部材においてすべての該接着部にかかる該ある方向の力が釣り合うように配置されている。
図5、図6および図7のいずれも、各接着部の該作用方向に垂直な面が実質的に同一である場合、接着用部材においてすべての該接着部にかかる該ある方向の力が釣り合うように配置されている。
一方で、n個の接着部を有している接着用部材において、各接着部の接着面が実質的に平行ではない場合、n個(ただし、n>3の場合)の接着部が同様の接着プロファイルを有し、全ての該ある方向に沿った直線がある一点で交わり、かつその直線は該ある一点を頂点とするn角錐の斜辺と重なり合うように配置されている接着部群の形態も挙げられる。但し、2個(n=2の場合)の接着部を有する接着用部材の場合、2本の該ある方向に沿った直線がある一点で交わり、かつその直線はそれぞれの該ある方向もしくはそれぞれの該逆方向はある一点に向けられている。このような接着部群において、接着面に対して均等にある方向の力を与えることができる。
なお、一つの接着用部材の中でのこのような接着部群の組み合わせは、接着用部材の仕様によって複数あることも可能である。
例えば接着部の接着面が、実質的に同じ平面内になるように配置されている場合、図6(c)に示すように、一つの接着用部材606の中で該ある方向の力ベクトル603またはその逆方向がある一点(607、608または609)に向けられている3種類の接着群が存在するような接着部群の組み合わせが可能である。このような組み合わせによって、均等に把持力を与えることができる。
例えば接着部の接着面が、実質的に同じ平面内になるように配置されている場合、図6(c)に示すように、一つの接着用部材606の中で該ある方向の力ベクトル603またはその逆方向がある一点(607、608または609)に向けられている3種類の接着群が存在するような接着部群の組み合わせが可能である。このような組み合わせによって、均等に把持力を与えることができる。
また、本発明の第4の実施形態として、前記駆動機構を駆動した際に、接着部にかける力の向きが前記ある方向または前記ある方向とは逆方向と、実質的に同じ向きとなるように構成する形態を採ることができる。
このような構成によって、接着部において該ある方向以外の力を考慮する必要が無いので接着面に対して大きな把持力を与えることができる。
また、本発明の第5の実施形態として、前記駆動機構が前記接着部に及ぼす力の前記ある方向の成分の大きさが、前記作用方向の把持力が最大となるときの前記ある方向の成分の大きさ以下とする形態を採ることができる。
接着部に対して接線方向のみに力を加えかつその力を増加させていくと、やがて接着体は内力を利用して剥離してしまうので、前記の特徴を有するのが望ましい。
このような特徴によって、内力により剥がれてしまうことなく接着部の該作用方向の把持力を制御することができる。
このような構成によって、接着部において該ある方向以外の力を考慮する必要が無いので接着面に対して大きな把持力を与えることができる。
また、本発明の第5の実施形態として、前記駆動機構が前記接着部に及ぼす力の前記ある方向の成分の大きさが、前記作用方向の把持力が最大となるときの前記ある方向の成分の大きさ以下とする形態を採ることができる。
接着部に対して接線方向のみに力を加えかつその力を増加させていくと、やがて接着体は内力を利用して剥離してしまうので、前記の特徴を有するのが望ましい。
このような特徴によって、内力により剥がれてしまうことなく接着部の該作用方向の把持力を制御することができる。
また、本発明の第6の実施形態として、該接着部の接着面が、該接着面に垂直かつ該ある方向に平行な面で切断した断面形状が該ある方向について非対称になるような構造体に形成されるようにする形態を採ることができる。
図8では、接着部801を該接着面802に垂直方向803かつ該ある方向804に平行な面で切断したときの接着部の断面形状の一例が示されている。
例えば、その断面形状は、平行四辺形様(図8(a)、(b))の他にくさび型様(図8(c)、(d)、(e))のような形状があげられる。前記特徴を有する接着部は、接着
力の方向性を有している。
また、本発明の第7の実施形態として、該構造体の形状が、該ある方向となす仰角が90度未満でかつ柱状である。
前記該構造体は、一般的に図1(d)に示すような接着プロファイルを示す。
また、前記斜め柱状構造体は、該仰角によって該接着部における最大の接着力を有する力ベクトルの方向は変化する特徴を持つ。
図8では、接着部801を該接着面802に垂直方向803かつ該ある方向804に平行な面で切断したときの接着部の断面形状の一例が示されている。
例えば、その断面形状は、平行四辺形様(図8(a)、(b))の他にくさび型様(図8(c)、(d)、(e))のような形状があげられる。前記特徴を有する接着部は、接着
力の方向性を有している。
また、本発明の第7の実施形態として、該構造体の形状が、該ある方向となす仰角が90度未満でかつ柱状である。
前記該構造体は、一般的に図1(d)に示すような接着プロファイルを示す。
また、前記斜め柱状構造体は、該仰角によって該接着部における最大の接着力を有する力ベクトルの方向は変化する特徴を持つ。
また、本発明の第8の実施形態として、該構造体のアスペクト比が1以上である形態を採ることができる。
ここでアスペクト比とは、斜め柱状構造体と同じ体積および高さを持つ仮想的な円柱を考え、その仮想的な円柱の高さを直径で割ることで求められる。
また高さとは、斜め柱状構造体のうち接着面から最も遠い位置までの距離である。さらに斜め柱状構造体は、その断面形状が実質的に一様であることが望ましいがこれには限定しない。
前記特徴によって、高い把持力を発生できる接着部を設計することができる。
また、本発明の第9の実施形態として、該構造体は、ポリジメチルシロキサン(Polydimethylsiloxane: PDMS)あるいは、ポリウレタン(Polyurethane:PU)あるいは、ポリメタクリル酸メチル樹脂(Polymethyl
methacrylate:PMMA)、カーボンナノチューブ(Carbon nanotube:CNT)、あるいはそれらの類縁体からなる形態を採ることができる。
このように前記の材料を斜め柱状構造体として用いることができる。
ここでアスペクト比とは、斜め柱状構造体と同じ体積および高さを持つ仮想的な円柱を考え、その仮想的な円柱の高さを直径で割ることで求められる。
また高さとは、斜め柱状構造体のうち接着面から最も遠い位置までの距離である。さらに斜め柱状構造体は、その断面形状が実質的に一様であることが望ましいがこれには限定しない。
前記特徴によって、高い把持力を発生できる接着部を設計することができる。
また、本発明の第9の実施形態として、該構造体は、ポリジメチルシロキサン(Polydimethylsiloxane: PDMS)あるいは、ポリウレタン(Polyurethane:PU)あるいは、ポリメタクリル酸メチル樹脂(Polymethyl
methacrylate:PMMA)、カーボンナノチューブ(Carbon nanotube:CNT)、あるいはそれらの類縁体からなる形態を採ることができる。
このように前記の材料を斜め柱状構造体として用いることができる。
また、本発明の第10の実施形態として、該駆動機構が、誘電エラストマアクチュエータで構成された形態を採ることができる。
誘電エラストマアクチュエータは2つの電極と誘電層から構成され、誘電層は各電極に挟まれている。
誘電層は、柔軟で誘電率の高い特性を有する。誘電エラストマアクチュエータは、電極へ電圧を印加すると誘電層の厚さ方向に収縮し、誘電層の厚さ方向に垂直な方向には伸張する特性を持つ。誘電エラストマアクチュエータの駆動によって、接着部に力を加えることができる。
また、本発明の第11の実施形態として、すべての該接着部が該駆動機構に積層されている形態を採ることができる。
このような構成によって、接着部や駆動機構の配置を簡便に設計および作製でき、かつ接着用部材をコンパクトに設計することができる。
また、本発明の第12の実施形態として、該ある方向の接線方向成分をもつ力を加えたときの該接着用部材の把持力が、該駆動機構を駆動しない時と比べて5倍以上とした形態を採ることができる。
また、本発明の第13の実施形態として、被搬送物質を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を備えることができる。
また、本発明の第14の実施形態として、被移動部材を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を備えることができる。
このような構成によって、実質的に接着および剥離を切り替え制御することができる。
誘電エラストマアクチュエータは2つの電極と誘電層から構成され、誘電層は各電極に挟まれている。
誘電層は、柔軟で誘電率の高い特性を有する。誘電エラストマアクチュエータは、電極へ電圧を印加すると誘電層の厚さ方向に収縮し、誘電層の厚さ方向に垂直な方向には伸張する特性を持つ。誘電エラストマアクチュエータの駆動によって、接着部に力を加えることができる。
また、本発明の第11の実施形態として、すべての該接着部が該駆動機構に積層されている形態を採ることができる。
このような構成によって、接着部や駆動機構の配置を簡便に設計および作製でき、かつ接着用部材をコンパクトに設計することができる。
また、本発明の第12の実施形態として、該ある方向の接線方向成分をもつ力を加えたときの該接着用部材の把持力が、該駆動機構を駆動しない時と比べて5倍以上とした形態を採ることができる。
また、本発明の第13の実施形態として、被搬送物質を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を備えることができる。
また、本発明の第14の実施形態として、被移動部材を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を備えることができる。
このような構成によって、実質的に接着および剥離を切り替え制御することができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
本実施例として、本発明を適用した接着力が制御可能な接着用部材の構成例について、図を用いて説明する。
本実施例の接着力が制御可能な接着用部材の断面図を図9(a)に示す。
該可逆性接着デバイスは、誘電エラストマアクチュエータ901に接着部902が積み重なる特徴を持つ。
ここで、誘電エラストマアクチュエータ1の詳細な構造について説明する。
誘電エラストマアクチュエータ901は電極903および電極904と1つの誘電層905から構成され、誘電層905は電極903および電極904に挟まれている。
誘電層905はシリコンエラストマ(PDMS: Polydimethylsiloxane, 東レ・ダウコーニング(株)製SYLGARD184)である。
また、電極903および電極904は円形状であり、シリコンエラストマにシルバーグリースを分散させた樹脂から成る。また、シリコンエラストマにシルバーグリースを加える比率は、形成される樹脂の硬化度や伸縮率の検討から15w%である。
電極903および電極904は、導線906を経由して可変電圧装置907に接続されている。これら電極903および電極904のうち電極903は可変電圧装置907の正極側に接続され電極904は可変電圧装置907の陰極側に接続されている。
本実施例として、本発明を適用した接着力が制御可能な接着用部材の構成例について、図を用いて説明する。
本実施例の接着力が制御可能な接着用部材の断面図を図9(a)に示す。
該可逆性接着デバイスは、誘電エラストマアクチュエータ901に接着部902が積み重なる特徴を持つ。
ここで、誘電エラストマアクチュエータ1の詳細な構造について説明する。
誘電エラストマアクチュエータ901は電極903および電極904と1つの誘電層905から構成され、誘電層905は電極903および電極904に挟まれている。
誘電層905はシリコンエラストマ(PDMS: Polydimethylsiloxane, 東レ・ダウコーニング(株)製SYLGARD184)である。
また、電極903および電極904は円形状であり、シリコンエラストマにシルバーグリースを分散させた樹脂から成る。また、シリコンエラストマにシルバーグリースを加える比率は、形成される樹脂の硬化度や伸縮率の検討から15w%である。
電極903および電極904は、導線906を経由して可変電圧装置907に接続されている。これら電極903および電極904のうち電極903は可変電圧装置907の正極側に接続され電極904は可変電圧装置907の陰極側に接続されている。
電極903の下部表面には、緩衝層908を介してガラス基板909が固定されている。緩衝層908は、シリコンゲル(信越化学(株)製)から成る。
誘電層905は、直径50mmの円形状であり、厚さが1mmに設定されている。
また、電極903および電極904は、直径10mm、膜厚0.2mmに設定されている。
また、1層の誘電層905と2層の電極(電極903および電極904)は交互に挟み込まれる。
誘電エラストマアクチュエータ901は、ガラス基板909上に緩衝層908、電極903、誘電層905、電極904の順にスピンコート法により所望の膜厚さに積層して作製される。
また、各層はスピンコート後ごとに硬化処理(60°、1時間)が必要である。緩衝層908、電極903、電極904および誘電層905は均一な面を形成しているので、電極904表面形状は平坦である。
誘電エラストマアクチュエータ901は、電極903および電極904へ電圧を印加すると誘電層905の厚さ方向に収縮し、誘電層905の厚さ方向に垂直な方向には伸張する特性を持つ。
また、電極903および電極904は、誘電層905の伸縮に伴って伸縮する。電極903および電極904は円形の形状を有しているので、電極903および電極904は、これら電極表面の接線方向に放射状に伸張する。そして、その変位量を駆動力として出力することができる。
誘電層905は、直径50mmの円形状であり、厚さが1mmに設定されている。
また、電極903および電極904は、直径10mm、膜厚0.2mmに設定されている。
また、1層の誘電層905と2層の電極(電極903および電極904)は交互に挟み込まれる。
誘電エラストマアクチュエータ901は、ガラス基板909上に緩衝層908、電極903、誘電層905、電極904の順にスピンコート法により所望の膜厚さに積層して作製される。
また、各層はスピンコート後ごとに硬化処理(60°、1時間)が必要である。緩衝層908、電極903、電極904および誘電層905は均一な面を形成しているので、電極904表面形状は平坦である。
誘電エラストマアクチュエータ901は、電極903および電極904へ電圧を印加すると誘電層905の厚さ方向に収縮し、誘電層905の厚さ方向に垂直な方向には伸張する特性を持つ。
また、電極903および電極904は、誘電層905の伸縮に伴って伸縮する。電極903および電極904は円形の形状を有しているので、電極903および電極904は、これら電極表面の接線方向に放射状に伸張する。そして、その変位量を駆動力として出力することができる。
次に、接着部902の詳細な構成について説明する。
図9(b)に本実施例の可逆性デバイスの平面図を示す。接着部は、4つの接着部902から構成される。
この4つの接着部は、電極904の上部表面に4等分に配置されている。各接着部902の該ある方向911に沿った直線が電極904の上部表面の中心912で交わり、かつこの直線は90°で交わるように配置されている。
接着部902は、図9(a)に示すように、斜め柱状構造体910から成る。
斜め柱状構造体910のアスペクト比は1である。すなわち、直径が10μm、また軸方向の高さが10μmの構造体である。
また、斜め柱状構造体910の仰角は60°であり、斜め柱状構造体910は、中心間隔25μmで配列している。
また、斜め柱状構造体910の該ある方向は、電極904の上部表面の中心点に向かうように設計されている。
図9(b)に本実施例の可逆性デバイスの平面図を示す。接着部は、4つの接着部902から構成される。
この4つの接着部は、電極904の上部表面に4等分に配置されている。各接着部902の該ある方向911に沿った直線が電極904の上部表面の中心912で交わり、かつこの直線は90°で交わるように配置されている。
接着部902は、図9(a)に示すように、斜め柱状構造体910から成る。
斜め柱状構造体910のアスペクト比は1である。すなわち、直径が10μm、また軸方向の高さが10μmの構造体である。
また、斜め柱状構造体910の仰角は60°であり、斜め柱状構造体910は、中心間隔25μmで配列している。
また、斜め柱状構造体910の該ある方向は、電極904の上部表面の中心点に向かうように設計されている。
接着部902は、フォトマスクを用いて斜め露光を行った鋳型に樹脂を流し込むことで作製される。
フォトマスクはφ50mmのガラス基板上に形成されたクロム層からなる。またフォトマ
スクは、斜め柱状構造体910の反転形を有している。フォトマスクに、ポジポジ型フォトレジスト剤(AZP4620、AZ Electronic Materials(株)製)を製膜後、硬化させてレジスト膜が形成される。鋳型は、まず4つの接着部のうち2つの接着部902における柱状構造体910が所望の仰角になるように、2枚のフォトマスクを介してこのレジスト膜を特定の傾斜角度で感光させて作製される。
次いで、2つのフォトマスクを回転させて、残りの接着部における柱状構造体910が所望の仰角になるように同様の方法で感光させて鋳型を完成させる。
この結果、鋳型における斜め柱状構造体910の反転構造の傾斜方向は、鋳型の中心点に向かって配置されている。
次いで、鋳型にシリコンエラストマ(PDMS: Polydimethylsiloxane, 東レ・ダウコーニング(株)製SYLGARD184)をスピンコート法により流し込み後、硬化(60℃、1時間)させることによって、接着部902を作製した。鋳型にシリコンエラストマ(PDMS: Polydimethylsiloxane,
東レ・ダウコーニング(株)製SYLGARD184)を2000rpmの回転速度で1分間にわたってスピン塗布した。
次いで、鋳型の中心点と電極904の上部表面の中心点が重なるように鋳型と誘電エラストマアクチュエータ901を重ね合わせ、常温で硬化後(24時間)、アセトン中に浸漬してポジ型フォトレジスト剤を溶解し、鋳型をリフトオフした。最終的に常温で乾燥後、可逆性接着デバイスを完成させた。
フォトマスクはφ50mmのガラス基板上に形成されたクロム層からなる。またフォトマ
スクは、斜め柱状構造体910の反転形を有している。フォトマスクに、ポジポジ型フォトレジスト剤(AZP4620、AZ Electronic Materials(株)製)を製膜後、硬化させてレジスト膜が形成される。鋳型は、まず4つの接着部のうち2つの接着部902における柱状構造体910が所望の仰角になるように、2枚のフォトマスクを介してこのレジスト膜を特定の傾斜角度で感光させて作製される。
次いで、2つのフォトマスクを回転させて、残りの接着部における柱状構造体910が所望の仰角になるように同様の方法で感光させて鋳型を完成させる。
この結果、鋳型における斜め柱状構造体910の反転構造の傾斜方向は、鋳型の中心点に向かって配置されている。
次いで、鋳型にシリコンエラストマ(PDMS: Polydimethylsiloxane, 東レ・ダウコーニング(株)製SYLGARD184)をスピンコート法により流し込み後、硬化(60℃、1時間)させることによって、接着部902を作製した。鋳型にシリコンエラストマ(PDMS: Polydimethylsiloxane,
東レ・ダウコーニング(株)製SYLGARD184)を2000rpmの回転速度で1分間にわたってスピン塗布した。
次いで、鋳型の中心点と電極904の上部表面の中心点が重なるように鋳型と誘電エラストマアクチュエータ901を重ね合わせ、常温で硬化後(24時間)、アセトン中に浸漬してポジ型フォトレジスト剤を溶解し、鋳型をリフトオフした。最終的に常温で乾燥後、可逆性接着デバイスを完成させた。
以下に詳述した実施例の効果を説明する。テクスチャアナライザー(Stable Micro Systems製TA−XT plus)に接続されたガラス板(直径; 8mm、厚さ:1mm)を接着部902上部表面に接着後、可逆性接着デバイスに電圧を印加させながら、本実施例の接着力を評価した。
可逆性接着デバイスに電圧を印加する前の接着力は、0.4Nであった。
一方で、可逆性接着デバイスに電圧印加するとその上昇に伴って接着力は増加した。
18KV印加時に0.6Nの接着力に達した。また、18kV以上において接着対象物との脱離が始まり接着力が低下する。
一方で仰角が90°の仰角を有する斜め柱状構造体910からなる接着部902を形成させた可逆性接着デバイスにおいて、電圧印加による接着力の変化は殆ど確認されなかった。
また、電圧印加による接着力の変化は、柱状構造体910の変形挙動と一致した。以上より、記載した実施例は、誘電エラストマアクチュエータ901から発生された電極904表面の接線方向の駆動力によって、接着部902と被着体間の接着力を制御できる効果をもつ。
可逆性接着デバイスに電圧を印加する前の接着力は、0.4Nであった。
一方で、可逆性接着デバイスに電圧印加するとその上昇に伴って接着力は増加した。
18KV印加時に0.6Nの接着力に達した。また、18kV以上において接着対象物との脱離が始まり接着力が低下する。
一方で仰角が90°の仰角を有する斜め柱状構造体910からなる接着部902を形成させた可逆性接着デバイスにおいて、電圧印加による接着力の変化は殆ど確認されなかった。
また、電圧印加による接着力の変化は、柱状構造体910の変形挙動と一致した。以上より、記載した実施例は、誘電エラストマアクチュエータ901から発生された電極904表面の接線方向の駆動力によって、接着部902と被着体間の接着力を制御できる効果をもつ。
本発明に係る可逆性接着デバイスは、その作用方向に垂直な方向の接着力を制御することで、被着体表面に対して安定的に脱離容易で、かつ繰り返し接着可能なものに構成できる。
さらにその作用方向に垂直な方向は、該接着表面以外で必要としない。従って被着体の接着面積の大きさに左右されず接着し、その接着力を制御できることから、半導体ウエハ等における物質の搬送機構やロボット等を構成する部材の移動機構に利用可能である。
例えば、物質の搬送機構としては、被搬送物質を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を、本発明の接着用部材を適用して構成することができる。また、部材の移動機構としては、被移動部材を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を、本発明の接着用部材を適用して構成することができる。
さらにその作用方向に垂直な方向は、該接着表面以外で必要としない。従って被着体の接着面積の大きさに左右されず接着し、その接着力を制御できることから、半導体ウエハ等における物質の搬送機構やロボット等を構成する部材の移動機構に利用可能である。
例えば、物質の搬送機構としては、被搬送物質を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を、本発明の接着用部材を適用して構成することができる。また、部材の移動機構としては、被移動部材を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を、本発明の接着用部材を適用して構成することができる。
101:接着用部材
102:駆動機構
103:接着部1
103’:接着部2
104:接着部1が駆動機構からもたらされる力
104’:接着部2が駆動機構からもたらされる力
105:接着部1にもたらされる力のうちある方向成分の力
105’:接着部2にもたらされる力のうちある方向成分の力
106:接着部1にもたらされる力のうち、接着用部材の作用方向に垂直な面内状である方向に対して垂直方向の力
106’:接着部2にもたらされる力のうち、接着用部材の作用方向に垂直な面内状である方向に対して垂直方向の力
107:接着用部材の作用方向
108:接着部1のある方向
108’:接着部2のある方向
109:最大となる把持力
110:最大となる把持力を有するときある方向の力
102:駆動機構
103:接着部1
103’:接着部2
104:接着部1が駆動機構からもたらされる力
104’:接着部2が駆動機構からもたらされる力
105:接着部1にもたらされる力のうちある方向成分の力
105’:接着部2にもたらされる力のうちある方向成分の力
106:接着部1にもたらされる力のうち、接着用部材の作用方向に垂直な面内状である方向に対して垂直方向の力
106’:接着部2にもたらされる力のうち、接着用部材の作用方向に垂直な面内状である方向に対して垂直方向の力
107:接着用部材の作用方向
108:接着部1のある方向
108’:接着部2のある方向
109:最大となる把持力
110:最大となる把持力を有するときある方向の力
Claims (14)
- 被着体に対する接着部を少なくとも2か所備え、前記被着体を把持させる作用方向への接着力が制御可能な接着用部材であって、
前記接着部は、前記作用方向に垂直な面に沿ったある方向への力を加えると前記作用方向への把持力が増大し、前記ある方向とは逆方向への力を加えると前記作用方向への把持力が減少もしくは一定となる接着力の方向性を備えた接着特性を個々に有し、
前記被着体と接触している個々の接着部に対して力を加えことができる駆動機構を備え、
前記駆動機構を駆動した際に、前記被着体と接触している接着部の接着面以外から前記ある方向または前記ある方向とは逆方向の力が該接着部に生じず、
前記駆動機構が、前記個々の接着部に対して前記ある方向または前記ある方向とは逆方向への力を作用させるように構成されていることを特徴とする接着用部材。 - 前記接着部の接着面が、同じ平面内になるように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の接着用部材。
- 前記接着部は、複数の接着部を備えた接着部群の組み合わせからなり、
前記接着部群は、すべての接着部が同様の前記接着特性を有し、前記作用方向への把持力が最大となるように前記ある方向の力を前記駆動機構によって前記接着部に加えられた際に、
前記すべての接着部にかかる前記ある方向の力が釣り合うように構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の接着用部材。 - 前記駆動機構を駆動した際に、接着部にかける力の向きが前記ある方向または前記ある方向とは逆方向と、同じ向きとなるように構成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の接着用部材。
- 前記駆動機構が前記接着部に及ぼす力の前記ある方向の成分の大きさが、前記作用方向の把持力が最大となるときの前記ある方向の成分の大きさ以下とされていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の接着用部材。
- 前記接着部の接着面が、前記接着面に垂直かつ前記ある方向に平行な面で切断した断面形状が前記ある方向について非対称になるような構造体に形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の接着用部材。
- 前記構造体の形状が、前記ある方向となす仰角が90度未満でかつ柱状であることを特徴とする請求項6に記載の接着用部材。
- 前記構造体のアスペクト比が、1以上であることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の接着用部材。
- 前記構造体は、
ポリジメチルシロキサン(Polydimethylsiloxane: PDMS)、
ポリウレタン(Polyurethane:PU)、ポリメタクリル酸メチル樹脂(Polymethyl methacrylate:PMMA)、
カーボンナノチューブ(Carbon nanotube:CNT)のうちのいずれか一つ、
あるいは、それらの類縁体からなる請求項6から8のいずれか1項に記載の接着用部材
。 - 前記駆動機構が、誘電エラストマアクチュエータで構成されていることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の接着用部材。
- 前記接着部が、前記駆動機構に積層して構成されていることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の接着用部材。
- 駆動機構を駆動して前記ある方向の力を加えたときの前記作用方向への把持力が、該駆動機構を駆動しないときに比して5倍以上とされていることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の接着用部材。
- 被搬送物質を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を備え、前記機構を請求項1から12のいずれか1項に記載の接着用部材によって構成したことを特徴とする物質の搬送機構。
- 被移動部材を被着体とし、該被着体に対する接着部の接着力を制御可能とした機構を備え、前記機構を請求項1から12のいずれか1項に記載の接着用部材によって構成したことを特徴とする部材の移動機構。
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